Wyznaczanie punktu pracy SE

Informacje podstawowe

Charakterystyki statyczne EL84

Aby dokonać w miarę świadomego wyznaczenia punktu pracy lampy końcowej potrzebne będą charakterystyki statyczne (dla przykladu takie jak na stronie 6. karty katalogowej dla EL84 ).

Głównym celem lampy elektronowej pracującej w stopniu wyjściowym jest wzmocnienie doprowadzonego sygnału do takiej wartości, by móc wysterować głośnik lub inne obciążenie na które pracuje lampa (np. słuchawki). Punkt pracy oraz prosta obciążenia stopnia wyjściowego powinny być dobrane w taki sposób, by zoptymalizować, z jednej strony zniekształcenia wnoszone przez ten stopień, a z drugiej, by zmaksymalizować moc; podczas, gdy lampy w przedwzmacniaczu najczęściej pracują dużo poniżej krzywej maksymalnej mocy admisyjnej anody, prosta obciążenia lampy w stopniu końcowym najczęściej znajduje się w bliskiej jej okolicy celem jak najlepszego wykorzystania możliwości lampy.

Wyznaczanie prostej obciążenia

Metoda najprostsza i (najczęściej) najtańsza

Jesli posiadamy już transformator wyjściowy, transformator taki z góry determinuje naszą prostą obciążenia z uwagi na jego przekładnię (czytaj np. tutaj jak wyznaczyć przekładnię transformatora wyjściowego). Znając zatem przekładnię pozostaje jedynie dobranie puktu pracy.

Metoda z charakterystykami

Jeśli nie posiadamy gotowego transformatora możemy zdeterminować zarówno prostą obciążenia jak i punkt pracy naszego stopnia wyjściowego.

Dobór krzywej obciążenia zaczynamy od ustalenia jakie napięcie stałe $V_{b}$ będzie dostarczał nasz zasilacz; znając tę wartość znajdujemy pierwszy punkt naszej krzywej, który ma współrzędne $(V_{b},0)$. Następnie, na osi rzędnych znajdujemy taki punkt, by cała nasza prosta znajdowała się poniżej krzywej maksymalnej mocy admisyjnej anody (zazwyczaj oznaczanej jako Pmax) oraz (dla zminimalizowania zniekształceń) by długości odcinków pomiędzy poszczególnymi poziomami napięć na siatce były w miarę stałe, tj. by stosunek zmian napięcia na statce do zmian natężenia prądu zmieniał się najmniej, czyli ${\frac {\Delta V_{g}}{\Delta I_{a}}}\approx const.$. Dzięki temu zawartość harmonicznych w sygnale wyjściowym powinna zostać zminimalizowana.

Dobieranie punktu pracy

Dobranie puntku pracy determinuje klasę pracy wzmacniacza. Z uwagi na fakt, iż w analizowanym przez nas stopniu pracuje tylko jedna lampa jesteśmy ograniczeni do pracy w klasie A. W zależności od tego, gdzie 'umieścimy' nasz punkt pracy, nasz sygnał wyjściowy będzie miał inną zawartość harmonicznych:

1. jeśli spolaryzujemy siatkę sterującą w taki sposób, że przy podaniu sygnału lampa zacznie pracować z prądem siatki lub 'zatka się' (nastąpi niesymetryczne obcinanie wzmacnianego sygnału) wtedy sygnał wyjściowy wzbogacony zostanie głównie w drugą i kolejne parzyste harmoniczne
2. jeśli sygnał podany na siatkę sterującą przesteruje lampę, tj. nastąpi jednoczesne (obustronne) obcinanie sygnału wtedy sygnał wyjściowy wzbogacony zostanie głównie trzecią i kolejnymi nieparzystymi harmonicznymi

Zatem, celem zminimalizowania wnoszonych zniekształceń należy spolaryzować siatkę sterującą tak by nasz punkt pracy wypadał mniej więcej w połowie pomiędzy pracą lampy z prądem siatki a zatkaną lampą oraz zadbać, by prosta obciążenia zapewaniała odpowiednio duży poziom sygnału potrzebnego do wysterowania lampy (headroom). Pamietać należy także, że prąd siatki zaczyna pojawiać się stopniowo jeszcze zanim siatka osiągnie potencjał katody, oraz, że linie potencjału siatki zagęszczają się im bardziej zbliżamy się do punktu 'zatkania lampy' powodując zaokrąglanie wierzchołków sygnału.

Dobrym punktem odniesienia jest także karta katalogowa gdzie są podane zestawy typowych aplikacji dla danej lampy (jak np. , strony 1-3).

Klasy pracy

Klasy pracy zależą od ustalonego punktu pracy. W zależności od polożenia tegoż pracę stopnia końcowego możemy sklasyfikować następująco:

• klasa A, gdzie końcówka mocy pracuje na prostoliniowym odcinku przejściowej charakterystyki roboczej (nie mylić z charakterystyką siatkową) i lampa pracuje przez cały okres trwania sygnału. Przykładowo, gdybyśmy ustalili punkt pracy EL84 (strona 6) na $V_{g2}=180V$ oraz $I_{a}=7mA$, wtedy dla sygnału o amplitudzie 1.2V (o wartości miedzyszczytowej równej 2.4V) uzyskamy pracę lampy w klasie A. Lampa w tej klasie nawet w punkcie spoczynkowym pobiera prąd z zasilacza możliwe jest zatem uzyskanie automatycznego 'ujemnego' przedpięcia siatki sterującej (polaryzacji); 'ujemnego' zostało celowo napisane w ten sposób, gdyż faktycznie to katoda ma potencjał bardziej dodatni w stosunku do siatki, która jest utrzymywana na potencjale masy.
• klasa B, gdzie lampa mocy pracuje tylko przez pół okresu trwania sygnału. Większość wzmacniaczy pracujących w tej klasie opartych jest o parę (lub więcej par) lamp końcowych pracujących w układzie przeciwsobnym (tzw. push-pull) gdzie każda z lamp wzmacnia tylko jedną połówkę sygnału (w tym czasie druga lampa jest zatkana). W klasycznym rozwiązaniu sumowanie obu połówek sygnału (a właściwie odejmowanie połówek sygnałów będących w przeciwfazie) następuje w transformatorze wyjściowym. Znane są też inne rozwiązania, na przykład układ szeregowy SRPP czy też przeciwrównoległy Circlotron. Lampy w stopniu końcowym pracującym w czystej klasie B nie pobierają żadnego prądu w punkcie spoczynkowym. W praktyce, ze względu na nieliniowości lamp praca w klasie B odbywała się z niewielkim prądem spoczynkowym. Z uwagi na dużą zależność średniej wartości prądu anodowego od wysterowania polaryzacja lamp nie może być automatyczna.
• klasą pośrednią pomiędzy klasami A i B jest klasa AB, również stosowana najczęściej układach opartych o dwie (lub więcej par) lampy końcowe push-pull. Lampy w tej klasie przez pewną część okresu obie pracują w klasie A aż do momentu, gdy jedna z lamp ulega zatkaniu; wtedy druga lampa przechodzi do pracy w klasie B. Podobnie jak w klasie B, części sygnału wzmacniane przez obie lampy sumowane są w transformatorze wyjściowym. Z uwagi na fakt, iż lampy w tej klasie w punkcie spoczynkowym pobierają pewien prąd, ujemne przedpięcie siatki możliwe jest do uzyskania za pomocą odrębnego zasilacza ujemnego napięcia (polaryzacja stała) lub przy użyciu odpowiednio dobranego, często wspólnego dla obu lamp, opornika w katodzie(-ach) lamp(y) z równolegle dołączonym kondensatorem (polaryzacja automatyczna). Możliwość zrealizowania polaryzacji automatycznej jest jednak uzależniona od warunków pracy (przyrostów średniej wartości prądu anodowego) i nie zawsze jest możliwa.

Aby poczytać na temat innych klas pracy odsyłam np. tutaj .

Polaryzacja automatyczna czy stała?

W układach audio siatka sterująca lampy wyjściowej musi być spolaryzowana ujemnie w stosunku do katody. Ujemne przedpięcie tejże można uzyskać na kilka sposobów, które możemy sklasyfikować następująco:

1. polaryzacja stała uzyskiwana z zasilacza
2. polaryzacja automatyczna przy pomocy opornika w katodzie lampy
3. polaryzacja mieszana

Przykłady obliczeń

Wyznaczanie punktu pracy pentody EL84

Charakterystyki statyczne EL84

Punkt pracy lampy EL84

Jak wcześniej napisano, wyznaczanie punktu pracy trzeba zacząć od wyszukania dokumentacji lampy (ang. datasheet). Do tego celu polecam stronę [3], można na niej znaleźć dokumentacje większości lamp.

Teraz, po wyszukaniu charakterystyki statycznej, w przypadku EL84 wygląda ona tak:

Następnie mamy dwie możliwości: 1. Zrobić zrzut ekranu (klawisz Print Screen), nastepnie wkleić go do np. Painta, i pracować na komputerze. 2. Wydrukować stronę z charakterystykami statycznymi, i pracować z ołówkiem/linijką.

Ja wybieram metodę pierwszą, jesli posiadamy już Transformator Głośnikowy (dalej: TG), o znanej przekładni (lub Ra) ustalamy napięcie, przy którym będzie pracować lampa(dla EL84 jest to zazwyczaj 250V) Następnym krokiem jest ustalenie prądu, wyliczamy to za pomocą prawa Ohma: $R={\frac {U}{I}}$ Przekształcamy wzór na: $I={\frac {U}{R}}$ Z tego wzoru wyliaczmy:$I={\frac {250V}{5000\Omega }}=50mA$

Gdy już to obliczymy, trzeba narysować prostą obciążenia, rysujemy ją pomiędzy punktami 50mA-0V a 250V-0mA.

Wygląda ona tak:

Gdy już narysujemy prostą obciążenia obieramy średnie napięcie (nie prąd) Us1, w tym wypadku około -7.5V. Ze względu na nieliniowość lampy, jedna połówka sygnału będzie miała 60V, a druga 150V.

Po tym obliczmy Rk z prawa Ohma, go tego kondensator bocznikujący.

Odnośniki

Skróty oznaczeń używanych na Wiki Oktoda

μ - wzmocnienie napięciowe μs2 - oddziaływanie napięciowe siatki drugiej α - wskazanie wskaźnika dostrojenia AM - modulacja amplitudy ARCz - automatyczna regulacja częstotliwości ARW - automatyczna regulacja wzmocnienia Ia - prąd anody Iaimax - maksymalny prąd anody w impulsie Il - prąd ekranu Is - prąd siatki Is1 - prąd siatki pierwszej Is2 - prąd siatki drugiej Is3 - prąd siatki trzeciej Is4 - prąd siatki czwartej Iamax - maksymalny prąd anody Ikmax - maksymalny prąd katody Io - maksymalny prąd wyprostowany Iż - prąd żarzenia FM - modulacja częstotliwości h - zniekształcenia nieliniowe m.cz. - małej częstotliwości Pamax - maksymalna moc strat w anodzie p.cz. - pośredniej częstotliwości Ps2max - maksymalna moc strat w siatce drugiej Pwy -moc wyjściowa ra - opór wewnętrzny Ra - opór obwodu anodowego Rk - rezystancja w katodzie Rg - rezystancja w obwodzie siatki Sa - nachylenie charakterystyki lampy Ua - napięcie anody Ua≈ - napięcie zmienne na anodzie Uaiwmax - maksymalne wsteczne napięcie anody w impulsie Uamax - maksymalne napięcie anody Ub - napięcie zasilania Ubmax - maksymalne napięcie zasilania Ul - napięcie ekranu Us - napięcie siatki Us1 - napięcie siatki pierwszej Us2 - napięcie siatki drugiej Us2max - maksymalne napięcie siatki drugiej Us3 - napięcie siatki trzeciej Us4 - napięcie siatki czwartej Utr - maksymalne napięcie prądu zmiennego Uż - napięcie żarzenia Uż-k - maksymalne napięcie między włóknem żarzenia a katodą